Пошук остаточних законів природи
Цей сайт присвячений великій інтелектуальній пригоді - пошуку остаточних законів природи. Мрія про остаточну теорію багато в чому надихає роботи в області фізики високих енергій. Хоча ми й не знаємо, як можуть виглядати остаточні закони або скільки років пройде, перш ніж вони будуть відкриті, все-таки ми думаємо, що вже в сучасних теоріях уловлюються проблиски контурів остаточної теорії.
Сама ідея остаточної теорії суперечлива і є в наші дні предметом інтенсивних суперечок. Це протиріччя вже досягло комітетських кабінетів конгресу США: фізика високих енергій стає усе більше дорогою наукою й обіг учених за суспільною підтримкою частково обґрунтовується історичною місією відкриття остаточних законів
Із самого початку в наміри входив виклад тих питань, які виникають у зв'язку із самою ідеєю остаточної теорії як частини інтелектуальної історії нашого часу, розраховане на людей без спеціальної підготовки по фізиці й вищій математиці. Мова йде про ключові ідеї, що лежать в основі сучасних фундаментальних досліджень по фізиці. Але це не підручник по фізиці, і Ви не зустрінете окремих глав, повністю присвячених часткам, взаємодіям, симетріям і струнам. Навпроти, тут уплетені поняття сучасної фізики в обговорення того, що таке остаточна теорія і як ми збираємося неї шукатися
Остаточна теорія
заряджені тіла. Коли электрически заряджене тіло раптово починає рухатися,
112
електромагнітне поле міняється спочатку тільки поблизу тіла, а потім ця зміна поля поширюється зі швидкістю
світла. Насправді в цьому випадку зміни електромагнітного поля і є те, що відомо нам як світло, хоча це може
бути світло такої великої або маленької довжини хвилі, що недоступна нашому зору.
У рамках доквантовой фізики спеціальна теорія відносності Эйнштейна добре согласовывалась із дуалистичной
картиною природи: є частки, наприклад електрони, протони, нейтрони у звичайних атомах, і є поля -
гравітаційне або електромагнітне. Розвиток квантової механіки привело до значно більше єдиної картини. Із крапки
зору квантової механіки енергія й імпульс поля (наприклад, електромагнітного) поширюються у вигляді згустків,
називаних фотонами, які поводяться як частки, хоча й не маси, що мають. Аналогічно, енергія й імпульс
гравітаційного поля переносяться у вигляді згустків, називаних гравітонами103, також провідними себе як частки з
нульовою масою. У діючий^-діючім-чинному-довго-діючому силовому полі начебто гравітаційного поля Сонця ми не спостерігаємо окремих
гравітонів головним чином тому, що їх надзвичайно багато.
В 1929 р. Вернер Гейзенберг і Вольфганг Паули, ґрунтуючись на більше ранній роботі Макса Борна, Гейзенберга,
Паскуаля Йордана і Юджина Вигнера, пояснили в декількох статтях, яким образом масивні частки, такі як
електрон, можуть розглядатися як згустки енергії й імпульсу в полях різного типу, наприклад електронному полі. Точно
так само, як електромагнітна сила між двома електронами виникає в рамках квантової механіки в результаті обміну
фотонами, так і сила між фотонами й електронами породжується обміном електронами. Розходження між матерією й силою
у значній мірі зникає: кожна частка може відігравати роль пробного тіла, на яке діють сили, але ця ж
частка, беручи участь в обміні, може породжувати інші сили. У наші дні загальноприйнято вважати, що єдиний спосіб,
що дозволяє об'єднати принципи спеціальної теорії відносності й квантової механіки, досягається у квантової
теорії поля або в подібній теорії. Це і є та сама логічна твердість, що надає красу істинно
фундаментальної теорії: квантова механіка й спеціальна теорія відносності майже несумісний і їхній союз в
рамках квантової теорії поля накладає сильні обмеження на можливі способи взаємодії часток друг з
іншому.
Всі вищезгадані симетрії тільки обмежують ті типи сил і види матерії, які може містити теорія, але
самі по собі ці симетрії не вимагають обов'язкового існування ніякого певного виду матерії або сили. В
ХХ в., особливо в останні десятиліття, значення принципів симетрії піднялося
113
на новий якісний рівень: саме вони визначають зараз саме існування всіх відомих сил у природі.
У загальній теорії відносності основний принцип симетрії затверджує, що всі системи відліку
еквівалентні: закони природи виглядають однаково не тільки для спостерігачів, що рухаються з будь-який постійної
швидкістю, але взагалі для всіх спостерігачів, як би прискорено не рухалися й не оберталися їхні лабораторії. Представте,
що ми заберемо свої фізичні прилади з тиші університетської лабораторії й почнемо робити експерименти на
рівномірно обертової каруселі. Замість того, щоб відраховувати всі напрямки від півночі, ми станемо вимірювати їх по
відношенню до дерев'яних конячок, укріпленим на обертовій каруселі. На перший погляд всі закони природи стануть
виглядати зовсім інакше. Спостерігачі на обертовій каруселі відчувають відцентрову силу яка відкидає
всі незакріплені предмети до зовнішнього борта каруселі. Якби фізики народилися й виросли на каруселі й не знали б,
що вони перебувають на обертовій платформі, те сформульовані ними для опису природних явищ закони
механіки обов'язково включали б відцентрову силу так що ці закони виглядали б істотно інакше, чим ті,
які відомі нам.
Исаак Ньютон був дуже стривожений тим, що закони природи, очевидно, розрізняють нерухливу й обертову
системи відліку. Це тривожило фізиків і в наступні сторіччя. В 1880-е рр. фізик і філософ з Відня Эрнст Мах
указав на іншу можливу інтерпретацію цього явища. Мах підкреслив, що є ще дещо, крім відцентрової
сили, що відрізняє обертову карусель від звичайної лабораторії. З погляду астронома, що перебуває на каруселі,
Сонце, зірки, галактики - коротше кажучи, вся матерія у Всесвіті здається обертової навколо зеніту. Ви або я
скажемо, що це відбувається, тому що обертається карусель, але астроном, що виріс на каруселі й, природно,
использующий її як систему відліку, буде наполягати, що весь інший Всесвіт обертається довкола нього. Мах задав
питання, а чи не можна розглядати це велике гадане обертання матерії як причину виникнення відцентрової
сили. Якщо так, то виявлені на каруселі закони природи насправді нічим не відрізняються від тих, які знайдені
у більше звичних лабораторіях; гадана різниця виникає просто від того, що спостерігачі в різних лабораторіях
бачать навколо себе різні речі.
Здогад Маху був підхоплений Эйнштейном і прийняла конкретні форми в загальній теорії відносності. У цієї
теорії дійсно існує вплив далеких зірок, що створює ефект відцентрової сили на обертовій каруселі.
Це сила тяжіння. Звичайно, у ньютоновской теорії тяжіння немає нічого, крім про-
114
стого притягання між масами. Загальна теорія відносності більше складне: обертання матерії Вселеної навколо
зеніту, спостережуване на каруселі, породжує поле, чимсь магнітне поле, що нагадує, утвореним струмом,
циркулюючої в котушці електромагніта. Саме ця «гравимагнитная» сила робить у системі відліку, пов'язаної з
каруселлю, ефекти, які в більше звичних системах відліку приписуються відцентровій силі. Рівняння загальної
теорії відносності, на противагу рівнянням ньютоновской механіки, зберігають свій вид як у лабораторії
на каруселі, так і у звичайній лабораторії; вся різниця в спостереженнях у цих лабораторіях повністю пов'язана з різним
оточенням - в одному випадку Всесвіт обертається навколо зеніту, в іншому випадку - немає. Однак, якщо тяжіння не
існує, така інтерпретація відцентрової сили була б неможливої, так що сила, що ми відчуваємо, перебуваючи
на каруселі, дозволила б відрізнити систему відліку, пов'язану із цією каруселлю, від більше звичних лабораторних
систем. Цим була б виключена яка б те не була еквівалентність між обертовими й нерухливими
лабораторіями. Звідси можна зробити висновок: симетрія між різними системами відліку вимагає існування
[...]
Початок
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127]